)بررسی تاثیر پارامترهای مقطع کاهش یافته بال تیر بر رفتار چرخه ای اتصاالت گیردار فوالدی با صفحه انتهایی(

Transcript

1 )بررسی تاثیر پارامترهای مقطع کاهش یافته بال تیر بر رفتار چرخه ای اتصاالت گیردار فوالدی با صفحه انتهایی( ایمان خلیلی دانشگاه آزاد اسالمی واحد اصفهان)خوراسگان( دانشکده فنی و مهندسی گروه عمران اصفهان ایران محسن ایزدی نیا عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسالمی واحد نجف آباد اصفهان ایران چکیده در تحقیق حاضر نوعی جدید از اتصال فوالدی کاهش یافته در بال معرفی می گردد که این کاهش در بال به صورت برش شعاعی به همراه اتصاالت فوالدی با صفحه انتهایی مورد بررسی قرار می گیرد. هدف از تحقیق تغییر در هر یک از پارامترهای شعاعی اتصال کاهش یافته RBS مانند b a و c که به ترتیب فاصله ی طولی ابتدای برش از بر تیر طول برش و ماکزیمم عمق برش می باشد به منظور بررسی و مقایسه تاثیر پارامتر های فوق بر معیارهای مورد مقایسه و یافتن مقادیر مناسب آنها است. مدل سازی و تحلیل با استفاده از نرم افزار اجزا محدود ABAQUS انجام شده است. نوع بارگذاری چرخهای و براساس پروتکل استاندارد SAC و محل اعمال بار در انتهای آزاد تیر و به صورت کنترل تغییر مکان است. نوع آنالیز مورد استفاده برای مدل سازی آنالیز غیر خطی و معیار شکست معیار شکست فون میزز است. معیارهای مورد مقایسه در این تحقیق نمودارهای لنگر-دوران و میزان اتالف انرژی و مقدار تنش و کرنش های تیر در حالت های مختلف است.بررسی نتایج مدلهای مختلف نشان داد که با افزایش پارامترهای b a و c مقطع کاهش یافته بال تیر تنش ها وکرنش ها در صفحه انتهایی حوزه اتصال کاهش پیدا می کند و مفصل پالستیک در ناحیه کاهش یافته تیر تشکیل می شود. واژگان کلیدی: مقطع تیر کاهش یافته برش شعاعی در بال صفحه انتهایی بارگذاری چرخهای ظرفیت اتالف انرژی

2 مقدمه اتصاالت خمشی قبل از زلزله نورتریج به صورت اتصال یک تیر به ستون به صورت گیردار بود. این گیرداری بهه وسهیله جهوش کامل ب ی ن ت ی ر و س ت و ن و یا با ل ج و ش شده ت ی ر ب ه با ل س ت و ن و جا ن پ یچ شده ت ی ر به ه بها ل سه ت و ن ت و سه ح صه ف ح ه ب ر شهی ب رقه ر ا ر میشد. در آن زمان چنین تصور میشد که این اتصاالت در برابر نیروی زلزله عملکرد خوبی از خود نشهان خواهنهد داد. په از زلزله نورتریج در سال 1994 در ل آنجل مشاهده شد اکثر خرابی سازه ها به خاطر ضعف در ناحیه اتصاالت آن بوده است بنابراین محققان به منظور افزایش دوران اتصاالت دو راهکار تقویت اتصال و تضعیف موضعی تیر در مجاورت اتصال ( 1 )RBS را پیشنهاد دادند. در استراتژی تقویت اتصال هدف کاهش تنشها در اتصال است. در استراتژی تضعیف موضعی تیهر در مجهاورت ات صا ل هدف ای جاد م ف صل پال س ت ی ک د ر ت ی ر ب ه ط و ر ع مد ی ا سه ت تها بهدی ن و سه یل ه ا ز پال سه ت ی ک شهد ن ات صها ل و خرابهی در آن جلوگیری شود )گرامی و آزادی 1387(. مطالعات گوناگون انجام شده حاکی از آن است که استفاده از اتصاالت RBS باعه یهک صهرفه جهویی 16 تها 30 درصهدی نسبت به سایر اتصاالت پ از زلزله نورتریج در هزینه کل پروژه میشود )گرامی و آزادی 1387( با توجه به مطالعات گوناگون انجام شده بر روی ترکیببندیهای مختلف اتصاالت RBS نتایج کلی زیر قابل بیان است: 1( مطالعات انجام شده حاکی از آن است که مقاومت نهایی اتصاالت RBS نسبت به اتصاالت خمشی معمولی تقریبها بدون تغییر باقی میماند سختی فقح اندکی تغییر میکند و ظرفیت چرخش پالستیک اتصال مهیتوانهد تها چنهد برابهر افزایش یابد )گرامی و آزادی 1387(. 2( نحوه اتصال جان تیر به بال ستون تأثیر زیادی در رفتار اتصاالت RBS دارد. نمونههای دارای اتصال جهان جوشهی سطوح رضایت بخشی از شکلپذیری مورد نیاز قابهای خمشی ویژه از خود نشهان داده انهد در حهالی کهه نمونههههای دارای اتصال پیچی جان به دلیل شکست ترد پیش ر س با ل ت یه ر د ر م حهل ح فه ره د س ت ر سهی جه و ش ع ملکه رد ضهع ی فی داشتهاند )گرامی و اسکوئی 1389 (. 3( مطالعات انجام شده نشان میدهد که کاهش سختی ناشی از استفاده از اتصاالت RBS به جهای اتصهاالت خمشهی معمولی در قابهای خمشی تنها 3 درصد است al,1996(.)chen et مروری بر تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با اتصاالت کاهش یافته انجام شده است که به صهورت مهوردی در زیهر اشهاره مهی شود: چن و همکاران )2001( طی تحقیقات خود به این نتیجه رسیدند که حذف کردن اندکی از بالهای تیر شکلپهذیری اتصهال را به میزان زیادی میتواند افزایش دهد و در این حالت مقاومتهای نهایی تقریبا بدون تغییر هستند در حالی کهه سهختی مقهدار کمی کاهش مییابد Chao,2001(.)Chen and سین ویلکینسون و همکهاران )2006( بهر اسهاس تحقیقهات خهود نتیجهه گرفتند که اتصال با کاهش در جان اتالف انرژی برابر سختی کمتر و مقاومت بیشتری را نسهبت بهه اتصهال اسهتخوانی از خهود نشان می دهد) al,2006.)wilkinson et نقیپور و محمدی )2009( در تحقیقات خود به ایهن نتیجهه رسهیدند کهه ایجهاد تغییر در ضخامت بال تیر و سخت کنندههای جان ستون در صهلبیت اتصهال RBS مهوثرتر از عوامهل دیگهر اسهت(نقهیپهور و 1 Reduced Beam Section

3 محمدی 1387(. هدایت و همکاران )2011( طی تحقیقاتشان نتیجه گرفتند که وجود منفذ سینوسی مفصل پالستیک در طول تیر و افزایش شکلپذیری اتصال میشود ) هدایت و همکاران 2011(. انجام پروژه با الهام گیری از 2 فرض اساسی زیر صورت پذیرفت : 1- به کارگیری روش RBS از بر ستون می باشد را خواهد داد در جهان باعه انتقهال در اتصال با صفحه انتهایی امکان انتقال محل مفصل پالستیک به ناحیه ای در تیر کهه دور 2- بهره گیری از راه حل کاهش مقطع بال تیر میتواند باع کاهش تنشها و کرنشها در اتصال صفحه انتهایی شهود و از آسیب آن جلوگیری کند. هدف از تحقیق تغییر در هر یک از پارامترهای شعاعی اتصال کاهش یافته RBS مانند b a و c است که به ترتیب فاصهله ی طولی ابتدای برش از بر تیر طول برش و ماکزیمم عمق برش می باشد به منظور بررسی و مقایسه تاثیر پارامتر های فهوق بهر معیارهای مورد مقایسه و یافتن مقادیر مناسب آنها است. روش تحقیق د ر ای ن ت ح ق ی ق ب ه رف تا ر ش نا سی ات صا ل د ا ر ا ی ب ر ش شعاعی رو ی با ل ت ی ر با صه ف ح ه ان ت ههایی پ رد ا خ ته ه شهده و به ر ا ی ایه ن م نظه و ر مهمترین پارامترهای هندسی که میتواند بر روی رفتار اتصال اثر گذارد بررسی شده و با ایجاد چنین تغییراتی در ههر یهک از پارامترهای برش رفتار اتصال بررسی خواهد شد. پارامترهای مورد بررسی در این تحقیق عبارتند از پارامترهای شعاعی اتصال کاهش یافته RBS مانند b a و c که بهه ترتیهب فاصله ی طولی ابتدای برش از بر تیر طول برش و ماکزیمم عمق برش می باشد )شکل 1 ( به منظور بررسی و مقایسه تهاثیر پارامتر های فوق بر معیارهای مورد مقایسه و یافتن مقادیر مناسب آنها است. ضمنا باتوجه به محل تمرکز تنش ها و کرنش ها و همچنین فاصله آنها از ناحیه گره اتصال مناسب بودن یا نبودن اتصال مورد بح قرار گرفتهه اسهت. تمهامی خروجهیههای مربوط به نمونهها در پایان سیکل دوم زاویه دریفت 0.04 مدل از نهرم افهزار ABAQUS rad گرفتهه شهده اسهت. همچنهین منظور از کرنش در این تحقیق کرنش پالستیک میباشد. نمای کلی از مدل مورد استفاده در نرم افزار در شهکل )2( نمهایش داده شده است. شکل 1 پارامترهای کاهش مقطع بال تیر

4 الزامات مربوط به طراحی اتصاالت RBS شکل 2 نمای کلی از مدل در تحقیق حاضر تیر و ستون انتخاب شده و همچنین اتصال بین آنها تمام محدودیتهای موجود در فصل پهنجم آیهین نامهه )358-10,2010 ( ANSI/AISC ر ا رعای ت که رده ا سه ت که ه به ه دل یهل ف ر او انهی مطاله ب ا ز آو رد ن آنهها ANSI/AISC خودداری میشود. همچنین در ارتباط با طراحی ناحیه کاهش یافته با برش شعاعی توصیههایی وجهود دارد کهه در روابهح )1( )2( و )3( محدودیتهای آن آورده شده است. در شکل )3( نمونهای از اتصال RBS با برش شعاعی نشان داده شده است. که پارامتر همچنین )1( )2( )3( a فاصله شروع برش از بر ستون پارامتر b شکل 3 اتصال RBS با برش شعاعی طول برش و پارامتر c bf و d ع مه ق به ر ش د ر م رکه ز نا ح یه ه کهاهش یاف ته ه ا سه ت. به ترتیب بیانگر عرض بال تیر و عمق تیر هستند )سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور 1385 ( مقادیر ثهابتی که برای پارامترهای برش در نظر گرفته شده است برابر با میانگین روابح )1( تا )3( میباشد. مشخصات هندسی مدلهای ساخته شده در تحقیق مطابق آیین نامه (341-10,2010 (ANSI/AISC ابعاد تیر و ستون در قابهای خمشی ویژه بایهد بهه ANSI/AISC گونهای انتخاب شود که مجموع مقاومتهای خمشی اسمی ستونهای باال و پایین اتصال بهه مجمهوع مقاومهتههای خمشهی مورد انتظار تیرها در مکان مفصل پالستیک بیش از عدد یک شود. با تغییر دادن نسبت طول تیر به طول ستون به اندازه قابل

5 توجه این امکان وجود دارد که نتایج به دلیل تغییر در میزان سختی اتصال متفاوت شود. با رعایت شهرط فهوق تیهر و سهتون مطابق جدول )1( انتخاب شد. جدول 1 مشخصات هندسی تیر و ستون پروفیل (mm) L (mm) (mm) (mm) (mm) h ستون W14X120 تیر W24X68 I ارتفاع مقطع h که در آن فوق نشان داده شده است. عرض بال b ضخامت جان ضخامت بال مقطع و L طول عضو است. در شکل )4( پارامترهای شکل 4 مقطع پروفیلها همچنین در هندسه کلی مدل از صفحه انتهایی بلند سختکنندههای تیر ورقهای مضاعف جان سهتون و ورقههای صهلب تکیه گاه ستون به منظور جلوگیری از تمرکز تنش استفاده شده است. نوع اتصال تیر به ستون به این گونه است که ابتدا تیهر به صفحه انتهایی جوش شده و سپ )2( آورده شده است. ورق صلب تکیهگاه ستون صفحه انتهایی به ستون پیچ شده است. سایر مشخصات اجزای هندسی مدل در جهدول جدول 2 مشخصات هندسی سایر اجزای مدل 147x145x10 mm3 سخت کننده تیر 225.3x x10 mm3 صفحه انتهایی ورق مضاعف جان ستون 437x120x5 mm3 237x126.2x5 mm3 فوالد مصرفی برای تیر و ستون از نوع 50. Gr ASTM A572 و برای صفحه انتهایی از نوع ASTM A36 استفاده شده است. در شکل )5( هندسه کلی نمونه با مقطع کاهش یافته و نحوه قرارگیری اجزای مختلف مدل در کنار یکدیگر آورده شده است. شکل 5 هندسه کلی نمونه با مقطع کاهش یافته

6 مشخصات مصالح به کار رفته در اجزای مدل در شکل های )6( و )7( نمودارهای تنش- کرنش مصالح فوالدی مصرفی در مدل از جمله تیر و ستون و صهفحه انتههایی آورده شده است که محور عمودی تنش ها (Mpa) و محور افقی کرنش ها را نشان می دهد. شکل 7 نمودار تنش-کرنش صفحه انتهایی مشخصات مصالح فوالد استفاده شده در مدل در جدول )3( مشاهده می شود. شکل 6 نمودار تنش-کرنش تیر و ستون جدول 3 مشخصات مصالح فوالد استفاده شده در مدل و پیچ اتصال تیر و ستون صفحه انتهایی پیچ که در آن پارامترهای پوآسون و مدول االستیسیته هستند. ν و E به ترتیب بیانگر تنش تسلیم تنش نهایی کرنش تسهلیم کهرنش نههایی ضهریب مدول االستیسیته ورق صلب که به منظور جلوگیری از تمرکز تنش در محل تکیهگاههای ستون و محل اعمال بار قهرار داده شده برابر با در نظر گرفته شده است. MPa بارگذاری و شرایط مرزی مدل در بارگذاری مدل اجزا محدود از جابجایی چرخهای با توجه به پروتکهل بارگهذاری SAC (SAC steel project,1997) اسهتفاده شده است.توجه به این نکته ضروری است که بارگذاری های این پروتکل با وجود چرخه ای بودن دینامیکی نبوده و فقهح شهبه دینامیکی می باشند و در آن ها نسبت تغییرات بارگذاری به سرعت نظری بسیار کوچک فرض می گردد پ رفتار سازه تهابعی

7 از سرعت نمی باشد لذا در نرم افزار هم باید با روش حل اسهتاتیکی (Static-General) شهرایح مشهابه بارگهذاری مهورد نظهر را فراهم نمود. پ مکان بارگذاری انتهای تیر و در فاصله 1.96 m از بر تیر میباشد. در قابهای خمشی ویژه عملکرد اتصال تا زاویهه دریفهت rad 0.06 ادامهه داشهته اسهت. در جهدول )4( 0.04 دارای اهمیت میباشد. با این وجود در تحقیق حاضر آنالیز تا زاویه دریفت rad مقادیر بارگذاری چرخهای نشان داده شده است و در شکل )8( پروتکل بارگذاری SAC جدول 4 بارگذاری چرخهای بر اساس پروتکل SAC تغییر شکل اوج ϴ گام بار مشخص شده است. تعداد سیکل ها از مرحله 7 با افزایش 0.01 در ϴ و انجام دو سیکل در هر گام بار ادامه مییابد شکل 8 پروتکل بارگذاری SAC یافته ها در این مقاله 11 نمونه مختلف در نرم افزار ABAQUS مدل سازی شده است. بررسی رفتار اتصال به این گونه میباشد که تنها یک پارامتر از برش متغیر و سایر پارامترها ثابت در نظر گرفته میشود. سپ رفتار اتصال با توجه به تغییرات پارامتر متغیر ارزیابی میگردد. در ادامه پارامتر دیگری متغیر در نظر گرفته میشود و با فرض ثابت بودن سایر پارامترها روند فوق تکرار خواهد شد. پارامترهای RBS استفاده شده در هر نمونه در جدول )5( بیان گردیده است. همچنین شکل های تنش و کرنش هر نمونه پ از آنالیز و نمودار لنگر- دوران آن در اشکال )9( تا )41( آورده شده است.

8 جدول 5 مقادیر پارامترهای RBS نمونه WR AV AV AF1 AF2 BS BL1 BL2 CS CL1 CL2 پارامتر a=0, b=0, c=0 a=0.675bf, b=0.75d, c=0.175bf a=0.5bf, b=0.75d, c=0.175bf a=0.75bf, b=0.75d, c=0.175bf a=1.5bf, b=0.75d, c=0.175bf a=0.675bf, b=0.65d, c=0.175bf a=0.675bf, b=0.85d, c=0.175bf a=0.675bf, b=d, c=0.175bf a=0.675bf, b=0.75d, c=0.1bf a=0.675bf, b=0.75d, c=0.25bf a=0.675bf, b=0.75d, c=0.4bf شکل 9 تنشهای فون میزز مدل WR شکل 10 کرنشهای پالستیک مدلWR شکل 11 نمودار لنگر-دوران مدلWR شکل 12 تنشهای فون میزز مدلAV شکل 13 کرنشهای پالستیک مدلAV شکل 14 نمودار لنگر-دوران مدلAV شکل 15 تنشهای فون میزز مدلAB شکل 16 کرنشهای پالستیک مدل AB شکل 17 نمودار لنگر-دوران مدلAB

9 شکل 18 تنشهای فون میزز مدل AF1 شکل 19 کرنشهای پالستیک مدل AF1 شکل 20 نمودار لنگر-دوران مدل AF1 شکل 23 شکل 21 تنشهای فون میزز مدلAF2 شکل 22 کرنشهای پالستیک مدل AF2 نمودار لنگر-دوران مدلAF2 شکل 24 تنشهای فون میزز مدل BS شکل 25 کرنشهای پالستیک مدل BS شکل 26 نمودار لنگر-دوران مدلBS شکل 27 تنشهای فون میزز مدل BL1 شکل 28 کرنشهای پالستیک مدلBL1 شکل 29 نمودار لنگر-دوران مدلBL1

10 شکل 30 تنشهای فون میزز مدل BL2 شکل 31 کرنشهای پالستیک مدلBL2 شکل 32 نمودار لنگر-دوران مدلBL2 شکل 33 تنشهای فون میزز مدلCS شکل 34 کرنشهای پالستیک مدل CS شکل 35 نمودار لنگر-دوران مدلCS شکل 36 تنشهای فون میزز مدل CL1 شکل 37 کرنشهای پالستیک مدل CL1 شکل 38 نمودار لنگر-دوران مدل CL1 شکل 39 تنشهای فون میزز مدل CL2 شکل 40 کرنشهای پالستیک مدل CL2 شکل 41 نمودار لنگر-دوران مدل CL2

11 پ از مدل سازی و آنالیز نمونه ها با توجه به اشکال و نمودارهای ارائه شده که از خروجی نرم افزار حاصل شده است نتایج در جداول )6 و 7( آورده شده است. نمونه جدول 6 ماکزیمم مقادیر مطلق تنشهای فون میزز و کرنشهای پالستیک مدل ها در سیکل دوم زاویه دریفت 0.04 rad کرنش صفحه انتهایی تنش فون میزز صفحه انتهایی )MPa( تنش فون میزز تیر )MPa( کرنش تیر WR AV AB AF AF BS BL BL CS CL CL2 مدل جدول 7 ماکزیمم مقادیر نسبی تنشهای فون میزز و کرنشهای پالستیک کل مدل ها در سیکل دوم زاویه دریفت 0.04 rad انرژی مستهلک شده )kj( (kn.m) WR AV AB AF AF BS BL BL CS CL CL2

12 بحث و نتیجهگیری 1( در مدل بدون مقطع کاهش یافته تیر محل تمرکز تنش ها و کرنش ها در ناحیه گره اتصال تیر به ستون می باشد و در نتیجه مفصل پالستیک در این حوزه تشکیل می شود و باع شکل پذیری نامناسب اتصال می گردد. 2( با افزایش 50% مقدار پارامتر a کرنش های تیر در حدود 20% افزایش می یابد و اگر این افزایش بیشتر از حدود آیین نامه یعنی 0.75bf شود کرنش های تیر روند نزولی پیدا خواهد کرد. 3( با نزدیک شدن ناحیه مقطع کاهش یافته تیر به بر ستون اتالف انرژی بیشتر خواهد شد منوط به آنکه این فاصله بیشهتر از حدود آیین نامه نگردد. 4( در صورتی که مقدار پارامتر b برابر d یعنی عمق تیر در نظر گرفته شود میزان کرنش ها در صفحه انتهایی اتصال به حداقل خود میرسد. 5( هر چه طول برش مقطع کاهش یافته تیر بیشتر باشد تنش ها وکرنش ها در صفحه انتهایی اتصال کاهش پیدا می کند و اتالف انرژی کمتر می شود. 6( با افزایش برش در عمق بال تیر در ناحیه RBS تنش ها و کرنش ها در صفحه انتهایی حهوزه اتصهال کهاهش مهی یابهد و همچنین اتالف انرژی بیشتر می گردد.منوط به آنکه این افزایش برش در عمق بیشتر از حدود آیین نامه نگردد. 7( روش کاهش مقطع در بال تیر با استفاده از اتصاالت گیردار فوالدی با صفحه انتهایی قابلیت دور نمودن محل کرنش ههای پالستیک ماکزیمم از ناحیه اتصال را به دلیل چرخش های پالستیک ناحیه کاهش یافتهه تیهر و متمرکهز نمهودن کهرنش ههای پالستیک در این ناحیه دارا می باشد. 8( از منظر اجرایی با توجه به اینکه اتصال جان تیر به صفحه انتهایی در کارخانه جوش می شود و در محل پروژه این صفحه به بال ستون پیچ می گردد در نتیجه جوشکاری با دقت کافی انجام میشود همچنین سرعت باالی اجرا و سهولت در آن سبب کاهش زمان اجرای پروژه و به تبع آن صرفه جویی در هزینه ها می گردد. پیشنهادات 1( تغییر نحوه اعمال بار شامل مونوتونیک یا یکطرفه متمرکز گسترده و امثال آن از دیگر پارامترهای قابل تغییر برای بررسی رفتار سازه محسوب می گردند. 2( اتصال حاضر در حالت یک طرفه یا کناری بررسی گردید که در آن فقح یک تیر به اتصال متصل گردیده بود بررسی اتصاالت موجود در قاب های میانی یا دو طرفه نیز باب دیگری در بررسی این رفتار خواهد گشود.

13 منابع م. گرامی و س. آزادی "بررسی اثر RBS م. گرامی و ا. غ. اسکوئی. در بهبود رفتار لرزهای اتصاالت خمشی فوالد" چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران "بهسازی اتصاالت صلب فوالدی متداول از طریق کاهش مقطع بال" فصلنامه مهندسی عمران مدرس سازمان مدیریت و برنامهریزی کشور دستورالعمل بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود نشریه شماره A. A. Hedayat, H. Saffari, and A. Eghbali, "Behaviour of steel reduced beam web (RBW) connections with drilled voids," in 5th SASTech, S. Chen, C. Yeh, and J. Chu, "Ductile steel beam-to-column connections for seismic resistance," Journal of Structural Engineering, Vol. 122, No. 11, pp , S. J. Chen and Y. C. Chao, "Effect of composite action on seismic performance of steel moment connections with reduced beam sections," Journal of Constructional Steel Research, Vol. 57, No. 4, pp , S. Wilkinson, G. Hurdman, and A.Crowther, "A moment resisting connection for earthquake resistant structures," Journal of Constructional Steel Research, Vol. 62, No. 3, pp , SAC Steel Project. "Protocol for fabrication, inspection, testing, and documentation of beam-column connection tests and other experimental specimens," Report No. SAC/BD-97/02, SAC Joint Venture, ANSI/AISC , AISC prequalified connections for special and intermediate steel moment frames for seismic applications: American Institute of Steel Construction Inc., Chicago, ANSI/AISC , Seismic provisions for structural steel buildings. Chicago (IL): American institute of steel construction, Inc, 2010.